Атомный интерферометр с чередованием для высокочувствительных инерциальных измерений
Квантовые сенсоры основаны на манипулировании внутренней или внешней степенью свободы в атомах, молекулах, оптомеханических устройствах, фотонных или твердотельных системах и охватывают различные применения, такие как магнитометрия, определение стандартов частоты, измерения на малом расстоянии или электромагнитные измерения. Инерционные датчики, основанные на когерентной манипуляции суперпозициями состояний импульса в атомных интерферометрах, были разработаны более 25 лет назад с целью решения различных задач. Примерами замечательных достижений являются тесты фундаментальной физики, метрология или абсолютная гравиметрия. Такие точные измерения гравито-инерциальных эффектов непосредственно зависят от присущей точности и долговременной стабильности датчиков на холодных атомах. Эти два свойства могут в конечном итоге сочетаться с широкополосными относительными датчиками, которые лежат в основе слияния датчиков. Этот подход напоминает атомные часы, где исследование стабильной структуры атомной энергии используется для стабилизации микроволнового или оптического генератора или для тестов фундаментальной физики.
Расширение приложений инерциальных датчиков на холодных атомах до измерений изменяющихся во времени сигналов было осложнено их уменьшенной частотой дискретизации, которая возникает из-за их последовательной работы и от длительного времени опроса атомов, которое требуется для достижения высоких инерционных чувствительность. Это ограничение, например, является препятствием для приложений к инерциальной навигации или фундаментальных исследований, связанных с обнаружением темной материи или гравитационной волновой астрономии. Французкие исследователи в своей работе сообщают о чередующейся работе инерциального датчика на холодных атомах, который работает с частотой дискретизации 3,75 Гц и характеризуется высокой инерционной чувствительностью, определяемой временем опроса атомов 801 мс в интерферометре. Метод чередования, который они демонстрируют как для статических, так и для динамических измерений скорости вращения, можно обобщить на другие архитектуры атомного интерферометра и, следовательно, проложить путь к разработке высокоскоростных и высокочувствительных инерционных датчиков на холодных атомах.
Помимо увеличения пропускной способности датчика, они показали, что чередование позволяет эффективно усреднять вибрационный шум (как 1/t, где t - время усреднения), который представляет собой самый важный источник шума в инерциальных датчиках на холодных атомах. Как следствие, они продемонстрировали рекордную чувствительность скорости вращения 3е-8 рад/s/sqrt(Hz). Такой высокий уровень чувствительности позволяет нам охарактеризовать систематические эффекты гироскопа на холодных атомах в до сих пор не исследованном диапазоне и стабилизировать их на уровне 1e-10 рад/c. Поскольку долговременная нестабильность гироскопов является ограничивающим фактором в инерциальных навигационных системах, достижение эффективности лучших волоконно-оптических гироскопов была давней целью, которая впервые достигнута датчиком на холодных атомах.